Friday 2 April 2010

Material Science

1.1 SUDUT PANDANG SEJARAH

Material sejak dahulu sudah menjadi bagian integral dari kebudayaan dan peradaban manusia; sebagai contoh, kita menamai beberapa periode di masa lampau sebagai Zaman Batu, Zaman Perunggu, dan Zaman Besi. Teknologi-teknlogi mutakhir masa kini sangat bergantung pada material canggih—semuanya memanfaatkan perangkat, produk , dan sistem yang terbuat dari material.

Setiap bagian dari kehidupan kita tidak terlepas dari peranan material seperti transportasi, bangunan, pakaian, komunikasi, hiburan, dan produk makanan. Berkat penyempurnaan-penyempurnaan material yang dilakukan oleh para ilmuan dan ahli teknologi selama ini, orang dapat membuat produk yang lebih baik. Menurut sejarah, kemajuan dan perkembangan dari kehidupan manusia berkaitan dengan kemampuan untuk membuat dan merekayasa material untuk memenuhi kebutuhan hidup.

Manusia pertama yang berada di bumi hanya mengenal sedikit jenis material, yaitu material yang secara alami berada di alam seperti batu, kayu, kulit dan sebagainya. Seiring dengan berjalannya waktu, mereka mulai melakukan beberapa teknik untuk memproduksi suatu material yang memiliki sifat lebih unggul dibandingkan dengan material yang berada di alam. Material baru ini meliputi tembikar dan logam. Lebih dari itu, sifat dari suatu material dapat diubah dengan memberikan perlakuan panas dan dengan memberikan subtansi lain. Pemanfaatan suatu material disesuaikan dengan sifat-sifat yang ada pada material tersebut melalui proses seleksi. Sampai saat sekarang ini sudah banyak sekali material rekayasa yang telah dibuat dan semuanya itu dapat dikategorikan menjadi logam, plastic, gelas, dan serat.

Kemajuan dalam memahami berbagai jenis material merupakan suatu pratanda dari kemajuan dalam bidang teknologi. Sebagai contoh adalah pemanfaatan bahan silicon, material ini menumbuhkan industri bernilai triliunan dollar. Material ini juga membantu komunikasi di semua bidang, dari alat Bantu –dengan hingga telemetri ruang angkasa. Keseharian kita diubah akibat adanya hiburan di rumah kita seperti kaset video, dan dengan munculnya computer yang kini terjangkau oleh perorangan. Perubahan meliputi berbagai hal , bukan masalah teknis semata. Sebagai contoh lain, automobile tidak akan terwujud jika tidak adanya baja atau bahan lainnya.

1.2 MATERIAL DAN REKAYASA
Disiplin dari ilmu material meliputi penyelidikan terhadap hubungan yang muncul diantara struktur dan sifat-sifat material. Sedangkan rekayasa material (material engineering) adalah dasar suatu ilmu untuk merancang atau merekayasa struktur dari suatu material untuk menghasilkan sifat-sifat yang diinginkan sebelumnya.

Prinsip yang paling berharga bagi para ilmuan adalah bahwa sifat material ditentukan oleh struktur internal material tersebut. Struktur internal material terdiri dari atom yang terkait dengan atom tetangganya (atom yang berada di sebelahnya) dalam kristal, molekul, dan mikrostruktur. Atom-atom ini tersusun antara satu dengan yang lainnya membentuk suatu bidang yang luas yang saling bertumpuk yang disebut sebagai "microscopic" yang dapat diamati dengan menggunakan mikroskop, sedangkan benda-benda yang dapat dilihat dengan mata telanjang disebut "macroscopic".

Material dapat dibedakan dari sifat-sifatnya. Sifat (property) adalah ciri-ciri yang ada pada suatu material yang berkaitan dengan jenis dan besarnya respon yang diberikan jika suatu material diberikan suatu stimulus (rangsangan). Secara umum sifat suatu material tidak bergantung terhadap bentuk dan ukuran material tersebut.
Sifat-sifat suatu matarial dapat dikelompokkan menjadi 6 kategori yaitu sifat mekanik, listrik, termal, magnetik, optik, dan deteriorative (sifat yang menyebabkan suatu material menjadi buruk). Untuk masing-masing sifat tersebut terdapat stimulus khusus yang dapat menimbulkan respon yang berbeda

• Sifat mekanik berkaitan dengan perubahan bentuk karena adanya pemberian beban atau gaya, contohnya meliputi modulus elastisitas dan kekuatan (strength), Keuletan (Ductile), Kekakuan (Stiffness), Ketangguhan (Toughness), Kekerasan (Hardness).
• Sifat kelistrikan berkaitan dengan konduktivitas listrik, resistivitas listrik dan konstanta dielektrik yang diperoleh dengan memberikan stimulus berupa medan listrik.
• Sifat panas (thermal) berkaitan dengan kapasitas panas dan konduktivitas termal yang diperoleh dengan memberikan stimulus berupa panas.
• Sifat Magnetik menggambarkan respon suatu material terhadap medan magnet yang biasanya direpresentasikan dengan menggunakan kurva Hysterisis.
• Sifat Optik menggambarkan bagaimana respon suatu material terhadap medan elektromagnetik atau radiasi cahaya. Sifat optik ini direpresentasikan dalam indek refraksi dan refleksi.
• Sifat Deteriorative mengindikasikan kereaktifan secara kimia dari suatu material.

MENGAPA ILMUAN DAN INSINUR BELAJAR MATERIAL??
Para ilmuan dan insinyur merupakan orang yang ahli di bidangnya untuk merancang suatu maerial baru. Namun, terkadang banyak ilmuan atau insinyur di bidang mekanik, sipil, kimia, atau listrik pada suatu waktu mengalami kesulitan dalam merancang suatu material, sebagai contoh transmisi pada roda gigi, membuat struktur yang kuat untuk bangunan, membuat komponen yang sangat halus untuk pelumas, atau kesulitan dalam pembuatan IC (Intergerated Circuit).

Salah satu masalah yang sering dihadapi adalah pemilihan material yang tepat diantara ribuan material yang tersedia. Secara mendasar terdapat beberapa kriteria untuk menentukan keputusan akhir dalam memilih suatu material. Pertama-tama konsisi awal harus dikarakterisasi, oleh karena itu para ilmuan atau insinyur harus mengetahui sifat-sifat apa saja yang dibtuhkan dari suau material, karena jarang sekali dapat dibentuk suatu material dengan kombinasi yang ideal. Contoh klasik dari permasalahan ini meliputi kekuatan (strength) dan kelenturan (ductility); secara normal material yang memiliki sifat sangat kuat hanya memiliki sifat kelenturan yang sangat terbatas.

Pertimbangan kedua dalam pemilihan suatu material adalah sifat deterioration (sifat buruk) yang dapat muncul selama proses operasi. Sebagai contoh, reduksi yang signifikan dalam kekuatan mekanik kemungkinkan dihasilkan karena terpapar (exposure) suhu yang tinggi atau lingkungan yang korosif (merusak).

Kemungkinan besar suatu pertimbangan dalam pemilihan suatu material ditolak karena alasan ekonomi: Berapa biaya akhir dari material yang dihasilkan?. Bisa saja sebuah material ditemukan dengan kombinasi sifatnya yang ideal namun dibutuhkan biaya produksi yang sangat mahal sekali. Selain itu beberapa pertimbangan (kompromi) tidak dapat dihindarkan. Selain itu, biaya untuk menyelesaikan sebuah keping juga membutuhkan banyak biaya lain (waktu, tenaga, dan lain-lain) selama proses pabrikasi untuk menghasilkan bentuk yang diinginkan.
Para ilmuan dan perekayasa material sudah terbiasa berhadapan dengan berbagai variasi karakteristik material dan memahami hubungan yang erat antara struktur dan sifat suatu material, sebaik pemahaman mereka tentang teknis memproses suatu material membuat mereka ahli dan yakin dalam memilih suatu material berdasarkan kriteria tersebut.

1.3 KLASIFIKASI MATERIAL
Material diklasifiasikan menjadi beberapa tipe yang memiliki karakteristik yang sama. Material dapat dikelompokkan dengan berbagai cara, salah satunya didasarkan pada ikatan atom dan struktur. Berdasarkan cara ini material dapat diklasifikasikan menjadi logam, polimer, dan keramik. Sebagai penambahan, terdapat dua kelompok material yang cukup penting dalam rekayasa material yaitu komposit dan semikonduktor.

• Logam
Logam dikenal karena konduktivitas termal dan listriknya yang tinggi, hal ini disebabkan karena elektron valensinya tidak terikat, namun dapat meninggalkan atom "induknya". Karena dalam logam beberapa elektronnya mudah bergerak maka dapat dengan mudah mentransfer muatan listrik dan energi termal. Logam memiliki sifat tidak tembus cahaya, hal ini disebabkan karena respon dari elektron bebas tersebut terhadap getaran elketromagnetik pada frekuensi cahaya. Pada umumnya logam dapat dilpoles sehingga terlihat mengkilat. Pada umumnya (meski tidak selalu) logam relatif berat, sangat kuat, dan dapat dirubah dibentuk.

• Keramik
Keramik adalah senyawa yang mengandung unsur logam dan non-logam logam yang lebih sering muncul dalam bentuk oxide, nitride, dan carbide. Banyak sekali contoh material keramik, mulai dari semen pada beton (bahkan batuan), gelas, isolator listrik, dan magnet permanen. Secara tipikal material ini tahan terhadap listrik dan panasa, dan lebih tahan terhadap temperatur tinggi dan lingkungan yang buruk dibandingkan dengan logam dan polimer. Selain itu keramik memiliki sifat keras namun mudah pecah.
Berbagai aplikasi keramik

• Polimer
Pada umumnya, polimer merupakan campuran organik yang secara kimia berdasar pada karbon, hidrogen, dan elemen non-logam lainnya.; lebih dari itu, mereka memiliki struktur molekul yang sangat besar. Material ini secara tipikal memiliki densitas yang rendah, sangat fleksibel, dan mudah dibentuk. Biasanya polimer dikenal sebagai plastik, plastik merupakan pemantul cahaya yang kurang baik, dan cenderung bersifat transparan dan transluen.

• Komposit
Terdapat cukup banyak material komposit yang terdiri lebih dari satu tipe material yang telah dibuat. Sebuah komposit dirancang untuk memperlihatkan kombinasi dari sifat/karakteristik terbaik dari masing-masing komponen material. Serat kaca (Fiberglass) merupakan salah satu contoh yang sangat umum, dimana serat gelas dilekatkan ke dalam material polimer. Fiber glass memiliki sifat kuat yang berasal dari kaca dan sifat lentur yang berasal dari polimer. Banyak sekali pengembangan material terbaru melibatkan material komposit.

• Semikonduktor
Semikondukor memiliki sifat listrik di antara konduktor dan isolator. Lebih dari itu, karakteristik listrik dari material ini sangat sensitif terhadap kehadiran atom pengotor, dimana konsentrasi dari atom pengotor ini dapat dikontrol melalui daerah spasial yang sangat kecil.

1.4 KEBUTUHAN MATERIAL MODERN
Meskipun terjadi kemajuan yang sangat pesat dalam memahami dan mengembangkan material dalam beberapa tahun belakangan ini, masih terdapat beberapa tantangan teknologi yang membutuhkan pengalaman yang lebih luas dan spesialis di bidang ini. Beberapa pujian sangat tepat diberikan untuk menghormati para ilmuan yang berhasil menemukan berbagai hal baru dalam bidang material sehingga memudahkan kehidupan kita sekarang ini.
Energi merupakan salah satu bidang yang diperhatikan akhir-akhir ini. Para ilmuan berusaha untuk menemukan sumber energi baru yang ekonomis dan membuat sumber energi yang telah ada menjadi lebih efisien untuk memenuhi kebutuhan akan energi. Material tidak diragukan lagi akan memainkan peranan penting dalam pengembangan ini. Sebagai contoh, Konversi langsung dari solar menjadi energi listrik, penggunaan teknologi sel surya untuk memenuhi kebutuhan energi namun dalam pembuatannya dibutuhkan beberapa material yang lebih rumit dan cukup mahal Untuk memastikan suatu teknologi dapat digunakan, maka dibutuhkan material yang dapat menghasilkan efisiensi yang sangat tinggi selama proses konversi dengan harga yang cukup murah.

Energi nuklir memberikan harapan sebagai sumber energi baru, namun teknologi ini memunculkan banyak masalah mulai dari pemilihan material yang digunakan sebagai bahan bakar sampai fasilitas untuk untuk pembuangan limbah nuklir, sehingga dibutuhkan solusi yang cermat untuk mengatasi persoalan ini.

Kualitas lingkungan hidup kita bergantung kepada kemampuan untuk mengontrol polusi udara dan air. Salah satu teknik pengendalian polusi adalah dengan menggunakan beberapa variasi material. Pemrosesan material dan metode penghalusan dibutuhkan untuk memperbaiki keadaan lingkungan yang semakin buruk, sehingga polusi berkurang dan kerusakan alam akibat penambangan juga berkurang.

Salah satu penggunaan energi terbesar berada pada sektor transportasi. Oleh karena itu dibutuhkan teknologi yang dapat membuat efisiensi bahan bakar meningkat diantaranya dengan menggurangi berat dari kendaraan tersebut (automobile, pesawat terbang, kereta api, dan lainnya), meningkatkan pengaturan panas mesin sehingga tidak terlalu banyak panas yang dibuang, Pemilihan material yang sangat kuat dengan densitas yang rendah, atau material yang memiliki ketahanan terhadap temperatur tinggi.

Banyak material yang kita gunakan diperoleh dari sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui, sehingga harus dilakukan penghematan. Material ini meliputi polimer yang berbahan dasar minyak, dan beberapa logam. Sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui ini perlahan-lahan akan habis, sehingga diharuskan bagi setiap penemuan yang digunakan sebagai material cadangan atau pengembangan dari material baru harus memiliki sifat-sifat yang sebanding dan memiliki dampak kerusakan yang seminimal mungkin bagi lingkungan. Sumber energi alternatif merupakan tantangan utama untuk para ilmuan dan perekayasa material

DAFTAR PUSTAKA
1. Vlack, Lawrence H. Van. 2004. Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material, Terj. Sriati Djaprie. Jakarta: Erlangga
2. Callister, William D. 1994. Material Science and Engineering An Introduction. Third Edition, New York: John Willey and Sons.
dan sumber-sumber yang lain

No comments:

Post a Comment